Nå er isbreene fravristet noen av sine dypeste hemmeligheter

Et kunnskapshull har lenge plaget forskere innen glasiologi (altså de som jobbe med isbreer) og friksjonsteori (de som forsker på kraften mellom to flater).

Forskerne har ikke kunnet forklare hvordan ulike isbrebevegelser oppstår eller hvordan de henger sammen.  De fleste har tenkt at plutselige endringer i breen, såkalte surges, og kontinuerlige isstrømmer  – slik vi ser på Grønland og i Antarktis  – er adskilte fenomener.

Men nylig har fysikere og glasiologer funnet en felles teori for mekanismene bak isens glidebevegelser. Deres modell for isbre-friksjon er nå beskrevet i en artikkel i Nature Communications.

– Dette er viktig fordi en felles modell gjør det mulig å beregne isbreers oppførsel med større sannsynlighet. Dermed kan vi også gjøre sikrere beregninger av hvordan isbreer vil påvirke fremtidens havnivå.

Det sier Anders Malthe-Sørenssen, professor ved Fysisk institutt og Center for Computing in Science Education (CCSE) på UiO. Han er en del av EarthFlows, en tverrfaglig gruppe som studerer geofysiske strømningsprosesser. 

Sammen med Kjetil Thøgersen (numerisk fysikk/friksjonsteori), Adrien Gilbert (glasiologi) og Thomas Vikhamar Schuler (glasiologi) har han skrevet artikkelen i Nature Communications.

Fascineres over fysikken

– Ofte er det slik i naturen at det er noe universelt ved fenomener og prosesser. For eksempel har vår nye teori mye til felles med hvordan geologiske forkastninger foregår – men på helt andre tidsskalaer. Vi fysikere synes det er fascinerende at ulike fenomener kan fanges opp i de samme grunnleggende fysikklovene, sier Malthe-Sørenssen til Titan.uio.no.

– Hvilken betydning har den nye forståelsen i virkelighetens verden?

– Jeg mener dette er viktig i et bredere klimaperspektiv. Mye av det vi gjør, dreier seg om å forstå sammenhenger mellom klimaendringer og isbredynamikk – og ikke minst hva som blir konsekvensene for havnivået.

Var det mulig?

Fram til nå har fagfolk verden over beskrevet hvordan isbevegelser utspiller seg, men uten å lykkes i å forklare de grunnleggende mekanismene. Derfor har det vært usikkerhet i fagmiljøene om hvorvidt det i det hele tatt var mulig å lage en felles modell.

Thomas Vikhamar Schuler er professor ved Institutt for geofag og har doktorgrad i glasiologi fra ETH Zurich. I mange år har han jobbet både teoretisk med modeller og i felt med isbremålinger og -observasjoner verden rundt. Han forteller:

– Man har jobbet i flere tiår med problemstillinger som angår isbrebevegelser. For ca. 15 år siden forsto vi at noen av oppdagelsene fra observasjoner av små alpine breer kunne ha relevans også for hvordan isen akselererer i helt stort format på Grønland og i Antarktis. Det syntes jeg var veldig spennende. Vi forsto at det var kraftfulle mekanismer som kunne bidra til rask økning av havnivået.

Men så kom aldri det store gjennombruddet som Schuler og de andre isbreforskerne håpet på. Det var først i EarthFlows-prosjektet at ting begynte å løsne.

– Det nyttige ved å jobbe med folk fra andre fagområder, er at de har et annet perspektiv. Da vi begynte å jobbe med friksjonseksperter, opplevde vi at de så på disse sakene med nye øyne. Det ble helt avgjørende, sier Schuler.

Hvordan starter friksjon?

Kjetil Thøgersen har studert friksjonsteori siden han startet på mastergraden sin i 2010. Da innledet han også et samarbeid med Anders Malthe-Sørenssen. De to var med på å bygge opp et miljø for å forstå den grunnleggende fysikken i friksjon.

– Noe av det mest interessante er hvordan friksjon starter. For én ting er friksjonen når bevegelsen allerede er satt i gang. Noe ganske annet er hvordan det hele kommer i gang, forklarer Thøgersen.

– Vi tok utgangspunkt i eksperimenter som var gjort med klosser på plexiglassunderlag, og vi utviklet en modell som kunne forklare hva vi så. Det er på sett og vis ganske likt noe av det som skjer i en isbre, forklarer Thøgersen.

Med klossene så forskerne at friksjonsendringen forplanter seg med lydens hastighet.

– Vi visste ikke den gang at det var noe av det samme fenomenet som isbreforskerne lenge har observert. Men det fant vi ut etter hvert, da vi begynte å jobbe sammen, sier Malthe-Sørenssen.

– Det illustrerer en av utfordringene med tverrfaglig samarbeid, nemlig hvordan man finner sammen med de rette folkene, repliserer Schuler. – Dere laget en modell ut fra friksjoneksperimenter i et laboratorium. Vi har et omfattende forskningsprogram over flere år på Austfonna, som er den største ismassen på Svalbard. I utgangspunktet var det slett ingen selvfølge at vi skulle begynne å snakke sammen, for så å oppdage at vi jobbet med noen av de samme prosessene.

Hadde flaks med instrumentene

Mens Schuler og kollegene forsket på Austfonna, ble de vitne til en surge. Siden måleinstrumentene allerede var på plass, fikk de unike observasjonsdata om hvordan bevegelsen i isen bygget seg opp. Vanligvis oppdager man en surge først når den er i gang, og da er det vanskelig å gå tilbake i tid og se hvordan den bygget seg opp. Dessuten oppstår et kaos av dype bresprekker i stadig endring, slik at det blir svært farlig å sette opp instrumenter mens surgen pågår.

Kjetil Thøgersen ledet arbeidet med å sammenligne de observerte fenomenene på bre og i lab. Fantes det overførbare innsikter eller konsepter som kunne gjelde universelt?

Da Schuler la fram sine observasjonsdata, syntes Thøgersen og Malthe-Sørenssen at det var noe som virket kjent. Dermed oppsto en arbeidshypotese. Men én ting er å ha en intuisjon for at det er snakk om noe felles i prosessene. Noe annet er å beregne seg fram til eksakt hvilke mekanismer som opptrer – og modellere dem.

Hvor ble det av overgangen?

Det fysikerne så, og som var nytt i forhold til glasiologenes tidligere forklaringsmodeller, var en overraskende lang overgangsfase. Det var ikke noen eksponentiell oppbygging. Man kan si at bevegelsene endret seg trinnvis.

En surge i en isbre kan starte med at en del av breen øker hastigheten. Så er det et helt område der bevegelsen forplanter seg utover med økende hastighet. Det skjer både forover og bakover, eller nedover og oppover.

– Det var en ny måte å tenke på for oss, sier Schuler. – Det er for så vidt logisk at breens hastighetsendringer sprer seg i begge retninger. Men siden breen alltid sklir nedover og vi nesten alltid observerer nedenfra, var vi mest opptatt av hva som skjer nedover i retning dalbunnen.

Trinnvis oppbygging

Kontrollerte friksjonsforsøk i laboratorier blir tradisjonelt beskrevet i et rammeverk som kalles rate and state-friksjon. Det sier noe om friksjonskraften, og det brukes blant annet av geologer i jordskjelvsimuleringer.

– «Rate» er hastighet på friksjonsbevegelsen, «state» er tilstand på kontaktflaten, forklarer Thøgersen.  – Hvis noe sklir med én hastighet, og denne plutselig endres, betyr ikke det at friksjonskraften umiddelbart går til et nytt, veldefinert nivå. Det oppstår en såkalt transient fase, der kontaktflaten på sett og vis må endre tilstand før friksjonskraften kan finne sitt nye, stabile nivå.

Schuler og kollegene på Svalbard hadde observert at det er noe som gradvis bygger seg opp. Fordi det hver sommer kommer smeltevann under breen, endres forutsetningene for breens bevegelser over tid. De snakker om en statusvariabel som bygger seg opp sakte, men sikkert, og som til slutt gjør at et ras plutselig blir utløst.

Så kom Kjetil Thøgersen fra forskningsgruppen for geologiske prosessers fysikk (PGP) og presenterte et forslag til en teori, eller modell, som var tilpasset isbreenes virkelighet. For å teste hypotesen var det ikke tilstrekkelig å se på overflatene. Han måtte modellere hele isbreen, med alle de utfordringer det innebar.

Ulike tidsskalaer

– En av de største utfordringene har vært at det er så forskjellige tidsskalaer på observasjonene. Noen av de observerte bevegelsene har skjedd over flere år. Andre har skjedd over dager eller kanskje timer. Da blir det ikke helt enkelt å sy det hele sammen, sier Malthe-Sørenssen.

En av deltakerne i gruppen, Adrien Gilbert ved Institutt for geofag, har tidligere erfaring med modellering av isbreer fra Université Grenoble Alpes i Frankrike.

– Det var til stor hjelp da vi skulle koble en fysikkmodell for hva som skjer på overflaten til en modell for hva som skjer i en hel isbre, og så koble det til observasjonsdata for igjen å forsøke å forstå de observasjonene som er gjort. Vi har stort sett bare data fra toppen av breen, og da er det en utfordring å forstå hva hele isbreen gjør, sier Anders Malthe-Sørenssen.

Forutsi isbreens bevegelser

Thomas Vikhamar Schuler synes det er storartet å ha fått en modell som kan si noe om hvordan en isbre oppfører seg:

–Vi har noen observasjoner som bekrefter at breen beveger seg slik teorien sier. Derfor er det all mulig grunn til å ha tiltro til teorien, som vi nå skal jobbe videre med.

For det fortsatte arbeidet er det viktig å samle inn mer og bedre data. En del av feltarbeidet til glasiologene handler nå om nettopp å gjøre mer omfattende og nøyaktige målinger. Til nå har det vært vanlig med punktbaserte satellittmålinger for å registrere isbreers bevegelse. Nå tar man i bruk arealfordelte målinger for å finne ut mer om hvordan hele ismassen oppfører seg.

Forskergruppen er på ingen måte i mål. De ser på sine funn som begynnelsen på noe. En nyansatt stipendiat skal jobbe med å videreutvikle friksjonsmodellen og dens ulike konsekvenser for isbreene.

– Det viktigste for meg er at vi nå har fått et verktøy som kan beskrive ting vi ikke kunne før. Jeg tror det har et stort potensial og at det vil åpne opp for mange nye muligheter, sier Schuler.